JP2006214300A - 多気筒内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の気筒の副排気管７を、総通路長が最も短くなるように合流させ、その熱容量を低減させて、バイパス触媒コンバータ８の早期活性化を図る。
【解決手段】排気ポート２のそれぞれに主排気管３が接続されており、それぞれからバイパス流路となる副排気管７が分岐する。冷間始動後は、切換弁により副排気管７へ排気が案内される。♯１気筒の副排気管７Ａがバイパス触媒コンバータ８の入口まで斜め下方へ直線状に延びており、♯４気筒の副排気管７Ｄが、副排気管７Ａに対し直交する方向に沿って直線状に延びて、合流点１５において互いに合流している。♯２気筒の副排気管７Ｂおよび♯３気筒の副排気管７Ｃは、主排気管３との各分岐点６から♯１気筒の副排気管７Ａに直交する方向に沿って直線状に延び、該副排気管７Ａに直角に接続されている。これにより、合流点１５までの各気筒の副排気管７の総通路長が最短となる。
【選択図】図２

Description

この発明は、３つ以上の気筒が直列に配置されてなる多気筒内燃機関の排気装置、特に、各気筒毎に主排気管から分岐した細い副排気管を備えた多気筒内燃機関の排気装置に関する。

従来から知られているように、車両の床下などの排気系の比較的下流側にメイン触媒コンバータを配置した構成では、内燃機関の冷間始動後、触媒コンバータの温度が上昇して活性化するまでの間、十分な排気浄化作用を期待することができない。また一方、触媒コンバータを排気系の上流側つまり内燃機関側に近付けるほど、触媒の熱劣化による耐久性低下が問題となる。

そのため、例えば特許文献１には、各気筒の排気ポートにそれぞれ接続された気筒毎の主排気管から、該主排気管よりも通路断面積の小さな副排気管をそれぞれ分岐形成し、この複数の副排気管の先端をそれぞれ触媒コンバータ入口に接続するとともに、主排気管に設けた切換弁によって、冷間始動直後は、副排気管側に排気を案内するようにした排気装置が、開示されている。この構成では、上記副排気管を介した触媒コンバータまでの経路が主排気管を介した経路よりも短くなっており、従って、より早い段階から排気浄化を開始することができる。

また特許文献２には、各気筒の主排気管から分岐した気筒毎の副排気管を１本の流路に合流させた上で、ターボ過給機をバイパスする形で触媒コンバータ入口に接続した排気装置が開示されている。
特開平７−７７０３４号公報 特開２００２−２１３２３６号公報

上記特許文献１の装置では、触媒コンバータを内燃機関の前後方向に沿って細長い大型のものとし、各気筒の副排気管を互いに合流させることなく個々に触媒コンバータに接続した構成となっているので、触媒コンバータの製造が実際には困難であり、現実的でないばかりか、触媒コンバータの大型化によって熱容量が大となり、触媒コンバータの早期活性化が阻害される不具合がある。

また、特許文献２のように複数の副排気管を単純に合流させたのでは、合流点までの副排気管の総通路長が長くなり、それだけ副排気管の熱容量が大となって、やはり触媒コンバータの早期活性化が十分なものとならない。

本発明は、複数の気筒の副排気管を、総通路長が最も短くなるように合流させ、その熱容量を低減させることを目的とする。

本発明は、３つ以上の気筒が直列に配置されてなる多気筒内燃機関の排気装置であって、各気筒の排気ポートにそれぞれ接続された気筒毎の主排気管から、該主排気管よりも通路断面積の小さな副排気管がそれぞれ分岐し、かつこの複数の副排気管が下流側で最終的に１本の流路に合流した多気筒内燃機関の排気装置において、内燃機関の両端に位置する端部気筒の副排気管は、主排気管に対する各々の分岐点から互いの合流点へと延びており、端部気筒以外の気筒の副排気管は、主排気管に対する各々の分岐点から上記端部気筒の副排気管にほぼ直交する方向に延びて該副排気管にほぼ直角に接続されていることを特徴としている。

このように構成することで、端部気筒以外の副排気管は、分岐点から端部気筒の副排気管までを最短距離で結ぶこととなり、全ての副排気管の長さの総和つまり総通路長が短くなる。例えば、上記合流点の直後に触媒コンバータが配置されており、このように副排気管の総通路長が短くなることで、熱容量が小さくなるため、冷間始動後に触媒コンバータが早期に活性化する。

望ましくは、上記端部気筒の副排気管は、各々の分岐点から上記合流点へと概ね直線状に延びている。

また望ましくは、端部気筒以外の気筒の副排気管は、端部気筒の副排気管へ向かって概ね直線状に延びている。

本発明の一つの態様では、上記合流点は、内燃機関の前後方向について、一対の端部気筒の内側に位置している。

また他の一つの態様では、上記合流点は、内燃機関の前後方向の一方に偏って位置している。そして、さらに、各気筒の主排気管が下流側で１本の流路に合流しており、この主排気管の合流点が、内燃機関の前後方向について、上記副排気管の合流点と反対側に偏って位置するようにしてもよい。

また、各気筒から排出された排気が上記副排気管へ流れるように流路の切換を行う流路切換手段を備えていてもよい。

この発明によれば、複数の気筒の副排気管を、総通路長が最も短くなるように１本の流路に合流させることができ、その熱容量が低減する。従って、冷間始動時などに、各気筒の排気を、排気温度を高く保ったまま下流側へ案内することができる。

以下、この発明を直列４気筒内燃機関の排気装置として適用した一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この排気装置の配管レイアウトを模式的に示した説明図であり、始めに、この図１に基づいて、排気装置全体の構成を説明する。

シリンダヘッド１には、直列に配置された♯１気筒〜♯４気筒の各気筒の排気ポート２がそれぞれ側面に向かって開口するように形成されており、この排気ポート２のそれぞれに、主排気管３が接続されている。♯１気筒〜♯４気筒の４本の主排気管３は、１本の流路に合流しており、その下流側に、メイン触媒コンバータ４が配置されている。このメイン触媒コンバータ４は、車両の床下に配置される容量の大きなものであって、触媒としては、例えば、三元触媒とＨＣトラップ触媒とを含んでいる。上記の主排気管３およびメイン触媒コンバータ４によって、通常の運転時に排気が通流するメイン流路が構成される。また、４本の主排気管３の合流点には、流路切換手段として各主排気管３を一斉に開閉する切換弁５が設けられている。

一方、バイパス流路として、各気筒の主排気管３の各々から、該主排気管３よりも通路断面積の小さな副排気管７がそれぞれ分岐している。各副排気管７の上流端となる分岐点６は、主排気管３のできるだけ上流側に位置に設定されている。４本の副排気管７は、後述するような態様で最終的に１本の流路に合流しており、その合流点の直後に、三元触媒を用いたバイパス触媒コンバータ８が接続されている。このバイパス触媒コンバータ８は、メイン触媒コンバータ４に比べて容量が小さな小型のものであり、望ましくは、低温活性に優れた触媒が用いられる。バイパス触媒コンバータ８の出口には、下流側副排気管９の一端が接続され、かつ該下流側副排気管９の他端は、メイン流路におけるメイン触媒コンバータ４上流側に接続されている。

なお、メイン触媒コンバータ４の入口部およびバイパス触媒コンバータ８の入口部には、それぞれ空燃比センサ１０，１１が配置されている。

このような構成においては、冷間始動後の機関温度ないしは排気温度が低い段階では、適宜なアクチュエータを介して切換弁５が閉じられ、メイン流路が遮断される。そのため、各気筒から吐出された排気は、その全量が分岐点６から副排気管７を通してバイパス触媒コンバータ８へと流れる。バイパス触媒コンバータ８は、排気系の上流側つまり排気ポート２に近い位置にあり、かつ小型のものであるので、速やかに活性化し、早期に排気浄化が開始される。

一方、機関の暖機が進行して、機関温度ないしは排気温度が十分に高くなったら、切換弁５が開放される。これにより、各気筒から吐出された排気は、主に、主排気管３からメイン触媒コンバータ４を通過する。このときバイパス流路側は特に遮断されていないが、バイパス流路側の方がメイン流路側よりも通路断面積が小さく、かつバイパス触媒コンバータ８が介在しているので、両者の通路抵抗の差により、排気流の大部分はメイン流路側を通り、バイパス流路側には殆ど流れない。従って、バイパス触媒コンバータ８の熱劣化は十分に抑制される。

次に、４本の副排気管７を１本の流路に合流させる本発明の配管レイアウトについて、図２〜図４に基づいて説明する。

図２は、副排気管７の配管レイアウトの第１実施例を示しており、♯１気筒の副排気管７を符号７Ａで、♯２気筒の副排気管７を符号７Ｂで、♯３気筒の副排気管７を符号７Ｃで、♯４気筒の副排気管７を符号７Ｄで、それぞれ示す。なお、この図２は、シリンダヘッド１を機関の側方から見たものであって、各気筒の排気ポート２として図示する部分は、分岐点６における各主排気管３の位置と実質的に変わりがない。図示するように、この第１実施例では、端部気筒である♯１気筒の副排気管７Ａがバイパス触媒コンバータ８の入口まで斜め下方へ直線状に延びており、もう一方の端部気筒である♯４気筒の副排気管７Ｄが、この♯１気筒の副排気管７Ａに対し直交する方向に沿って直線状に延びて、バイパス触媒コンバータ８入口よりもやや上流の合流点１５において互いに合流している。そして、♯２気筒の副排気管７Ｂおよび♯３気筒の副排気管７Ｃは、主排気管３との各分岐点６から♯１気筒の副排気管７Ａに直交する方向に沿って直線状に延び、該副排気管７Ａに直角に接続されている。

従って、この実施例では、最終的に１本の流路となる合流点１５は、内燃機関の前後方向について、♯１気筒と♯４気筒との内側に位置している。そして、♯１気筒の分岐点６から上記の合流点１５までを最短距離で結ぶ副排気管７Ａに、他の３つの気筒の副排気管７Ｂ〜７Ｄがやはり最短距離でもって接続されるので、合流点１５までの各気筒の副排気管７の総通路長が最短となる。

図３は、副排気管７の配管レイアウトの第２実施例を示しており、この実施例では、バイパス触媒コンバータ８の入口が、合流点１５に接続されている。つまり、バイパス触媒コンバータ８がより上流側に位置している。４本の副排気管７のレイアウト自体は、第１実施例と特に変わりがない。

図４は、副排気管７の配管レイアウトの第３実施例を示しており、この実施例では、端部気筒である♯１気筒の副排気管７Ａと♯４気筒の副排気管７Ｄとの合流点１５が、内燃機関の前後方向について、４つの気筒の中央に位置し、その直後にバイパス触媒コンバータ８が接続されている。つまり、４つの気筒の中央に位置する合流点１５に向かって、副排気管７Ａと副排気管７Ｄとが直線状に延びている。そして、♯２気筒の副排気管７Ｂは、♯１気筒の副排気管７Ａに対し直交する方向に沿って直線状に延びて、該副排気管７Ａに直角に接続されている。これと対称に、♯３気筒の副排気管７Ｃは、♯４気筒の副排気管７Ｄに対し直交する方向に沿って直線状に延び、該副排気管７Ｄに直角に接続されている。

次に、図５および図６は、主排気管３および副排気管７のより具体的な構成を示したものであって、４本の主排気管３は、シリンダヘッド１に取り付けるための取付フランジ２２を有する排気マニホルド２１として一体化されており、それぞれ下方へ向かって湾曲し、かつ前述した切換弁５を内蔵したバルブユニット２３を介して１本の流路に合流している。この主排気管３の合流点となるバルブユニット２３は、内燃機関の前後方向について、機関前方へ偏った位置に配置されている。副排気管７は、下方へ湾曲した主排気管３の下側の空間に配置されており、この例では、前述した図３の第２実施例のレイアウトとなっている。つまり、合流点１５が機関後方へ偏った位置に配置されており、この合流点１５の直後のバイパス触媒コンバータ取付フランジ２４に取り付けられるバイパス触媒コンバータ８が、主排気管３側のバルブユニット２３と前後に重ならない位置関係となっている。

図６は、図５から主排気管３を取り除いて描いた図であって、前述したように、端部気筒である♯１気筒の副排気管７Ａが合流点１５まで斜め下方へほぼ直線状に延びており、もう一方の端部気筒である♯４気筒の副排気管７Ｄが、この♯１気筒の副排気管７Ａに対し直交する方向に沿ってほぼ直線状に延びて、合流点１５において互いに合流している。但し、副排気管７Ｄは、取付フランジ２２のナットもしくはボルトの締結点２５を覆うことがないように、合流点１５近傍部分が締結点２５の上方を迂回するように湾曲している。同様に、副排気管７Ａは、締結点２６を覆わないように、僅かにクランク状に屈曲している。そして、♯２気筒の副排気管７Ｂおよび♯３気筒の副排気管７Ｃは、主排気管３との各分岐点６から♯１気筒の副排気管７Ａに直交する方向に沿って直線状に延び、該副排気管７Ａに直角に接続されている。

このように各気筒の排気ポート２からバイパス触媒コンバータ８へ至るまでの副排気管７の総通路長を最短とすることで、その熱容量が小さくなり、冷間始動後にバイパス触媒コンバータ８が速やかに活性化して、早期に排気浄化が開始される。

なお、上記実施例では、副排気管７が、メイン流路に再び合流するバイパス流路として構成されているが、本発明はこれに限らず、例えば副排気管７がメイン流路とは別のまま外部へ排気を放出する流路を構成するようにしてもよい。また本発明は、上記の直列４気筒機関に限られず、３つ以上の気筒が直列に配置されてなる直列多気筒内燃機関あるいはＶ型内燃機関の各バンクの排気装置等として適用することができる。

この発明に係る排気装置全体の配管レイアウトを示す構成説明図。 副排気管の配管レイアウトの第１実施例を示す説明図。 副排気管の配管レイアウトの第２実施例を示す説明図。 副排気管の配管レイアウトの第３実施例を示す説明図。 主排気管および副排気管のより具体的な構成を示す側面図。 主排気管を取り除いて示す側面図。

符号の説明

３…主排気管
４…メイン触媒コンバータ
５…切換弁
６…分岐点
７…副排気管
８…バイパス触媒コンバータ
１５…合流点

Claims (8)

1. ３つ以上の気筒が直列に配置されてなる多気筒内燃機関の排気装置であって、各気筒の排気ポートにそれぞれ接続された気筒毎の主排気管から、該主排気管よりも通路断面積の小さな副排気管がそれぞれ分岐し、かつこの複数の副排気管が下流側で最終的に１本の流路に合流した多気筒内燃機関の排気装置において、
   内燃機関の両端に位置する端部気筒の副排気管は、主排気管に対する各々の分岐点から互いの合流点へと延びており、
   端部気筒以外の気筒の副排気管は、主排気管に対する各々の分岐点から上記端部気筒の副排気管にほぼ直交する方向に延びて該副排気管にほぼ直角に接続されていることを特徴とする多気筒内燃機関の排気装置。
2. 上記合流点は、内燃機関の前後方向について、一対の端部気筒の内側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の多気筒内燃機関の排気装置。
3. 上記合流点の直後に触媒コンバータが配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の多気筒内燃機関の排気装置。
4. 上記端部気筒の副排気管は、各々の分岐点から上記合流点へと概ね直線状に延びていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の多気筒内燃機関の排気装置。
5. 端部気筒以外の気筒の副排気管は、端部気筒の副排気管へ向かって概ね直線状に延びていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の多気筒内燃機関の排気装置。
6. 上記合流点は、内燃機関の前後方向の一方に偏って位置していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の多気筒内燃機関の排気装置。
7. 各気筒の主排気管が下流側で１本の流路に合流しており、この主排気管の合流点が、内燃機関の前後方向について、上記副排気管の合流点と反対側に偏って位置していることを特徴とする請求項６に記載の多気筒内燃機関の排気装置。
8. 各気筒から排出された排気が上記副排気管へ流れるように流路の切換を行う流路切換手段を備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の多気筒内燃機関の排気装置。
   

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